Come misurare capacità molto grandi, ad es. Condensatori Super / Ultra

Di recente ho acquistato un paio di misteriosi condensatori ultra / super da mio fratello. Apparentemente non ricorda nessuna delle specifiche o addirittura il marchio ... Per complicare ulteriormente le cose, non hanno alcuna informazione di identificazione significativa stampigliata o stampata su di esse. (Esiste un'etichetta con codice a barre con codice alfanumerico ma una rapida ricerca su Google che la utilizza non ha trovato nulla.)

Sembra che sia il momento di accendere Scooby-Doo Mystery Buss, perché stavano andando in un'avventura gente.

Innanzitutto, ho pensato di provare a misurare la capacità. Poiché il mio misuratore LCR non è specificato per enormi condensatori come questi, ho dovuto essere creativo con la mia apparecchiatura di prova.

Tenendo conto della fisica di base, abbiamo che la capacità è proporzionale alla carica immagazzinata per volt attraverso il condensatore:

C = \frac{q}{V}

$C=\frac{q}{V}$

dove la carica accumulata nel condensatore è l'integrale della corrente attraverso il condensatore:

\int io (t) d t = q

$\int i(t)dt=q$

Utilizzando una sorgente di corrente per caricare il condensatore, possiamo semplificare i calcoli, utilizzando solo misurazioni delta della carica e della tensione attraverso il condensatore.

C = \frac{Δ q}{Δ V} = \frac{io Δ t}{Δ V}

$C=\frac{\Delta q}{\Delta V}=\frac{i\Delta t}{\Delta V}$

Con la mia sorgente di corrente Advantest R6144 posso quindi caricare il condensatore a una corrente impostata e semplicemente misurare la tensione attraverso il condensatore usando il mio Tektronix DMM4050 in modalità trendplot.

Immagini dell'installazione di prova

Tuttavia, è qui che inizio a vedere alcuni numeri piuttosto grandi. È possibile che il condensatore sia davvero ~ 2200 farad, ma sembra un po 'alto. Certo, il condensatore è abbastanza grande con ~ 5,5 "di lunghezza per ~ 1" di raggio.

E ora alcune domande per la brava gente dello scambio di stack di ingegneria elettrica: questo metodo è un mezzo praticabile per misurare i super condensatori? Oppure esiste un metodo più adatto che posso applicare per misurarli? Inoltre, la capacità dei condensatori super / ultra cambia in modo significativo rispetto alla tensione del condensatore? Ad esempio, questi risultati misurati sono predittivi / indicativi di tensioni di carica più elevate. Direi che la capacità dovrebbe fluttuare un po ', ma dubito che sia così tanto. Probabilmente nel peggiore dei casi sono poche centinaia di farad, ma non sono un esperto in materia.

Inoltre, e un po 'più importante, come troverei la massima tensione di carica senza distruggere il condensatore? Sarebbe una carica di corrente costante di dire 100uA per alcune settimane fino a quando la tensione raggiunge una sorta di equilibrio con il lavoro di autoscarica. Quindi arretrare di circa duecento milivolt e chiamare quella massima tensione di carica. O raggiungerà solo un punto di intervento e si autodistruggerà spruzzando elettrolita in tutto il mio laboratorio?

Infine, come si determina l'orientamento della polarità dei condensatori? Questi non sono contrassegnati in alcun modo ed entrambi i terminali sono identici. Lancio la mia scommessa con la tensione residua memorizzata nel condensatore. Presumo che l'effetto di assorbimento dielettrico / memoria della precedente ricarica conosca la direzione corretta ...

Ad ogni modo, è divertente cercare di determinare le caratteristiche di questi condensatori. Ma è ancora un tocco aggravante che non ci siano segni utili su di essi, come l'orientamento della polarità, il produttore, ecc.

— Grandi sorsi
fonte

Guardando i pdf che Dan1138 ha gentilmente fornito, credo che una carica di corrente costante da 1mA a 100uA (dopo che il tappo è stato caricato a ~ 2,5 V con una velocità molto più veloce) potrebbe effettivamente mettere in tensione la massima tensione di carica. Se la corrente di dispersione alla tensione nominale è prossima a 4,2 mA (per il super cap Maxwell 2000F), una corrente costante di qualsiasi valore inferiore a quella non dovrebbe mai sovraccaricare il condensatore poiché la perdita non carica il condensatore. Fatemi sapere cosa pensate voi ragazzi.

— Big Gulps,

2200F è l'ordine di grandezza corretto per un ultracondensatore. Inoltre sembrano tutti avere la stessa tensione massima.

— user253751

Puoi modificare la tua domanda e incorporare l'immagine per favore? Per quelli di noi che vivono dietro un proxy non possiamo vederlo.

— UKMonkey,

La corrente di dispersione potrebbe sconvolgere le misurazioni durante la ricarica, ma se una misurazione di scarica indica anche 2200 uF, probabilmente è vero.

— Brian Drummond,

V (t) = \frac{{io}_{c c}}{C} t + V_{0}

$V(t)=\frac{i_{cc}}{C}t+V_0$

C = {io}_{c c} M^{- 1}

$C=i_{cc}M^{-1}$

Risposte:

Questo è il processo di Maxwell per misurare C dalle loro specifiche di prova.

$C=C_{dcd}=\dfrac{I_5*(t_5-t_4)}{V_5-V_4}$

Si noti che la tensione diminuisce rispetto alla tensione precedente a causa di una costante di tempo RC aggiuntiva in parallelo. (cioè effetto memoria) Qui si mostra che è circa il 5% del fondo scala del 10% per una scarica a mezza tensione. Questo effetto memoria indica un'altra capacità di "effetto elettrico a doppio strato" tra il 5% e il 10% di C.

Ciò significa che nelle batterie, se si carica e si scarica molto più lentamente (almeno 10 volte più lentamente), la capacità di archiviazione aumenta del 5 ~ 10%, simile alle migliori batterie agli ioni di litio a basso ESR, che vengono pubblicizzate come prive di effetti di memoria (rispetto a NiCad.)

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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È interessante vedere che usano un doppio ciclo di carica / scarica ed eseguono la misurazione effettiva sulla scarica finale. Penso che per la maggior parte delle persone questo non sia un metodo pratico di misurazione - chi ha un dispositivo di prova in grado di emettere impulsi di corrente costante di 100 A e il sistema daq per catturare tutto. Detto questo, penso che lancerò un paio di mosfet in parallelo con alcuni resistori da 100mohm e opamp per CC e userò il mio oscilloscopio per catturare la misurazione delta per il ciclo di scarica. Indipendentemente da ciò, penso che il mio metodo a bassa corrente funzioni per le misurazioni del ballpark.

— Big Gulps,

bene, se dovessi testare i supercaps per le attuali proprietà di consegna, allora potrei aver bisogno di un robusto alimentatore; in questo senso "chi ha un dispositivo di prova del genere" è "le persone che hanno davvero bisogno di misurare i sistemi ad alta corrente, probabilmente, comprese le persone che testano i supercaps".

— Marcus Müller,

Una batteria di grandi dimensioni può fornire alla corrente un buon MOSFET, ma un test a bassa corrente può essere del 10% più alto C a causa della capacità secondaria che supporta l'uscita con un dV / dt molto più basso.

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75,

Dalle immagini della cellula nella foto di configurazione del test sembrano essere simili alla linea di Ultracapacitor Maxwell DuraBlue. Vedi questo datasheet per maggiori informazioni.

Può essere utile la nota di applicazione Maxwell 1007239 , Procedure di prova per capacità, ESR, corrente di dispersione e caratteristiche di autoscarica degli ultracondensatori.

Questa linea di "supercondensatori" ha una tensione di lavoro massima di 2,85 V CC e una capacità tipica di 3400 Farad. La maggior parte degli altri "supercondensatori" in questo tipo di confezione ha una tensione di funzionamento massima di 2,7 V CC.

Fai attenzione, un corto interno in questi dispositivi può provocare un evento di guasto spettacolare. Si consiglia di disporre di un sistema antincendio non conduttivo, non a base acquosa (sabbia, chimica, CO2, halon ecc.).

In base alle foto di configurazione del test pubblicate, probabilmente scioglierai le clip a coccodrillo prima di superare la corrente di carica o scarica massima.

— Dan1138
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Il mio solito modo è misurare la resistenza con un normale multimetro. Supponendo che la tensione / corrente di prova sia applicata più o meno continuamente, la lettura della "resistenza" aumenterà in modo relativamente lineare nel tempo. La media approssimativa di questo aumento nell'unità "Ohm al secondo" fornisce l'inverso della capacità.

Ad esempio, se la lettura aumenta di circa 10 Ohm ogni secondo, la capacità è di circa 0,1 F. Dovresti verificare prima con alcune capacità note che il tuo multimetro sia del tipo a misurazione continua dove questa approssimazione è abbastanza buona.

R (t) = \frac{V (t)}{{io}_{c c}}

$R(t)=\frac{V(t)}{i_{cc}}$ , dove

V (t) = \frac{{io}_{c c}}{C} t + V_{0}

$V(t)=\frac{i_{cc}}{C}t + V_0$ Semplificare e utilizzare le misure delta, dà

Δ R (t) = \frac{Δ t}{C}

$\Delta R(t)=\frac{\Delta t}{C}$ il che implica

C = \frac{Δ t}{Δ R (t)}

$C=\frac{\Delta t}{\Delta R(t)}$ L'unico problema che vedo è che non hai timestamp per delta t. A meno che il misuratore non abbia un diagramma di tendenza (o simile) otterrai solo un'approssimazione molto approssimativa. Ma, come dici tu, questo è un modo semplice per controllare senza bisogno di attrezzature costose.

— Big Gulps,